“Los responsables del
Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE
UU, han anunciado hoy que han captado las ondas producidas por el choque de dos
agujeros negros, la primera detección directa que confirma la teoría de
Einstein. El anuncio se ha hecho en una conferencia de prensa celebrada en
Washington y retransmitida por Internet. Los resultados científicos han sido
aceptados para su publicación en Physical Review Letters, según ha informado en
una nota del Instituto Tecnológico de California (Caltech)". El País, 11 de Febrero de 2016[i].
Aunque el tema
haya saltado a la prensa como si acabara de descubrirse la electricidad, el invento
de las ondas ha cumplido ya sus 100 añitos, y es solo una de las múltiples
predicciones que hizo Einstein deduciéndolas en su Teoría de Relatividad
General, solo que para llevarla al laboratorio y comprobarla ha necesitado un
siglo del esfuerzo intelectual y el trabajo de tres generaciones de científicos
para poner a punto la tecnología capaz de confirmarlo. Y para el éxito final ha
tenido que reunirse un equipo de casi 1.000 científicos de 15 países. Pero lo
que para el mundo periodístico ha sido un bombazo, para el mundillo científico
solo ha sido un… ¡hombre, por fin, ya era hora!
Einstein, el
último llanero solitario de la investigación, —hoy se trabaja en equipo— se “inventó”
un campo gravitatorio singular, inconcebible en su época, que constituye una de
las teorías más bellas de la historia de la ciencia, solo comparable a la
Teoría Electromagnética de Maxwell. Una teoría que es además la última, la
culminación de lo que hoy llamamos Física Clásica, después vino la Cuántica,
esa locura en la que hoy nos encontramos. La
Relatividad General es como el tejado, la cúpula y el campanario de esa
maravillosa catedral del conocimiento que es la Física Clásica.
Podríamos decir que cuanto existe en el
universo, galaxias, estrellas, planetas, personas, lechugas, todo está inmerso
en el espacio-tiempo que es algo así como la infraestructura del cosmos. Si no
hubiera cuerpos masivos en su interior la geometría del espaciotiempo sería
como un retículo formado por un montón de cubos perfectos apilados en las tres
direcciones del espacio, algo así como un cristal cúbico de sal común pero sin
átomos. Bueno, en realidad un poco más complicado porque esto sería así para el
espacio con sus tres dimensiones ortogonales, pero como además está el tiempo,
que es la cuarta dimensión, inseparable de las anteriores, pues tendríamos unos
“cubos” de 4 dimensiones en lugar de 3. Y dado que nuestro cerebro es incapaz
de formarse una idea de este volumen tetradimensional, para representarlo con
una imagen inteligible dibujamos dos dimensiones de espacio —un plano— y una de
tiempo. Pero no hay que preocuparse por esta incapacidad geométrica de nuestro
cerebro ya que sí que podemos manejar el concepto mediante ecuaciones
aritméticas, con el llamado cálculo tensorial.
Si hemos
logrado ya hacernos una idea aproximativa sobre ese espaciotiempo de geometría
regular perfecta imaginemos ahora que introducimos en él toda la materia del
universo con sus galaxias, estrellas, tomates, etc. Pues, según Einstein, estos
objetos masivos lograrían “arrugar” esa
estructura perfecta, deformarla, curvarla. Si eliminamos dos de las cuatro
dimensiones podemos dibujar una cuadrícula en un plano y entonces la presencia
de la masa provoca una deformación, una curvatura que puede comprenderse
fácilmente, como se indica en las figuras 1 y 2.
Fig. 2 Deformación del e-t (supuesto bidimensional) provocada por la
Tierra. La que provocaría Einstein no está dibujada.
Pues
bien, el campo gravitatorio no es otra
cosa que las deformaciones del espaciotiempo provocadas por la masa. La
intensidad del campo gravitatorio en un punto viene dada por la curvatura de
las “líneas” del e-t en ese lugar. No hay ninguna fuerza, como supuso
Newton. Sólo un e-t deformado que obliga
a seguirlo a todo objeto en movimiento. Una masa como la Luna que intentase
pasar junto a la Tierra quedaría atrapada en este pozo espaciotemporal girando
en órbitas elípticas, circulares o parabólicas, dependiendo de la velocidad y
la masa del objeto. Pero incluso si en este campo gravitatorio lanzásemos un
rayo de luz láser, no podría propagarse en línea recta sino que seguiría la
curvatura de estas líneas que hemos dibujado y a las que llamamos geodésicas, que
son, en este campo gravitacional, los caminos más cortos posibles entre dos
puntos. Del mismo modo que la línea más corta entre un punto del ecuador y el
polo norte es el meridiano y no una línea recta, que es imposible trazar sobre
la superficie curva del planeta. La línea recta es solo una entelequia
inventada por Euclides; nadie ha visto
nunca ni dibujado una línea recta, no es posible sobre la superficie curva del
planeta que, a su vez, está inmersa en un e-t curvo. La línea recta solo existe
en nuestra mente.
¿Pero cómo se forman las ondas
gravitacionales?
Fig. 3. Ondas
gravitacionales producidas por una estrella binaria.
Todas
estas deformaciones que provocan las estrellas y los planetas están en continuo
movimiento. Si pensamos en el sistema solar con todos sus planetas y satélites
tendremos una imagen de deformaciones que se mueven girando unas alrededor de
otras. Si en la superficie libre del agua introdujéramos una serie de palitos y
los moviéramos unos alrededor de otros se formaría todo un baile de ondas;
ondas transversales, como las gravitatorias. Algo similar ocurre en el e-t. El
problema es que la energía que las masas en movimiento invierten en deformar el
e-t es muy pequeña, o dicho de otro modo, las ondas gravitatorias portan una
energía insignificante y para detectarlas hacen falta aparatos tremendamente
sofisticados. Tras 100 años en su búsqueda hoy tan solo podemos captar las
ondas producidas por acontecimientos caóticos del universo como la explosión de
una supernova, el choque de dos agujeros negros, etc. Se ha calculado que en
este último caso, la fusión de dos agujeros negros en el centro de nuestra
galaxia, provocaría una onda gravitatoria que alcanzaría la Tierra con un flujo
de energía de 104 J/m2s,
lo que supondría una energía fácilmente
medible para nosotros, pero estamos hablando de un terrible cataclismo que no
ocurre todos los días. La energía de la onda provocada por el giro rápido de
dos estrellas de neutrones desde el mismo lugar no sobrepasaría los 10-20 J/m2s, y detectar 0,000 000 000 000 000 000 01
julios por metro cuadrado y segundo… ya son otros López. He ahí la razón de que
llevemos un siglo tras su pista sin haberlo logrado hasta este año. No obstante
las ondas gravitatorias tienen un largo alcance debido a que no se atenúan con
el cuadrado de la distancia, sino solo con la
distancia: 1/d.
¿Y cómo pueden detectarse estas ondas?
Además
de la dificultad que supone su bajísima energía, tenemos otra no menos despreciable.
Cuando se deforma el espaciotiempo se deforma igualmente cuanto hay en él. La
Tierra no es más ancha por el ecuador debido a la fuerza centrífuga (que no
existe) sino porque esta es la geometría del e-t que la rodea debido a las
deformaciones que provocan el Sol y la Luna en su entorno. Son las llamadas
“fuerzas de marea”. El nombre es ya inadecuado puesto que no existen “fuerzas”
gravitatorias pero en la época de Newton las deformaciones planetarias y,
especialmente las marinas, que son las más visibles, se explicaban por la mayor
o menor “fuerza de atracción gravitatoria” de la Luna y el Sol. La verdad es
que las aguas oceánicas simplemente siguen la forma del e-t donde se encuentran.
Si colocásemos un metro rígido en cualquier lugar, cuando pase una onda
gravitatoria se curvará a su paso como una serpiente, así como el científico
que lo sostiene. Lo mismo ocurriría con un rayo láser y con todo cuanto
existe. ¿Cómo podemos detectar que el mundo se deforma si también nosotros nos
deformamos? Pues en realidad es sencillo: recurriendo al ingenio humano que no
tiene límites (según parece).
Fig. 4. Interferómetro LIGO (Laser Interferometer Gravitacional Observatory) con dos brazos perpendiculares de 4 km cada uno.
De
este modo han surgido los interferómetros, como el Observatorio LIGO[ii],
que son solo un perfeccionamiento del ideado por Michelson[iii].
Hoy sabemos que las ondas gravitacionales al pasar por un objeto lo comprimen
en una dirección y lo expanden en la dirección perpendicular, como si
aplastáramos una bola de masa entre dos tablas, por esta razón los
interferómetros para ondas gravitacionales se construyen en forma de L. Cuando
una onda G lo alcance, una rama de la L se contraerá mientras la otra se
dilatará. Si somos capaces de medir esta diferencia de longitudes habremos
captado la onda. Pero hay otro problemilla. Las ramas del observatorio se
alargan y encogen en unos 10(-18) metros, esto es, la milésima parte del
diámetro de un protón. No se empeñe, esa regla maravillosa que tiene sobre la
mesa que mide medios milímetros no sirve. Pero un haz de luz láser que se
divida en dos y recorra varias veces esos túneles de la L para finalmente volverse
a encontrar, producirá una magnífica imagen de interferencia con la que los
científicos podrán medir la intensidad de la señal y hasta la dirección de la
que viene… ¡dicen ellos!
Hoy tenemos ya
un interferómetro colosal colocado en el espacio donde cada uno de los brazos mide 5 millones de km y por tanto podrá
captar ondas G muy débiles. Nos referimos al LISA Pathfinder[iv]
(Laser Interferometer Space Antenna) que no es más que una prueba para ver si
funcionan los nuevos aparatos construidos y mejorar todo el proceso para lanzar
finalmente el verdadero LISA que se situará en el punto de Lagrange 1, que es
ese punto situado en la línea que une el Sol y la Tierra, justo a 1,5 millones
de km de la Tierra y donde ambas “fuerzas gravitatorias” se anulan de modo que
un objeto situado allí se vería desde la Tierra siempre “inmóvil” en el centro
del disco solar (no es nada recomendable mirar al Sol para comprobarlo), pero
lo más importante es que estaría en “caída libre” dentro del Sistema Solar,
esto es que no le afectarían los campos gravitatorios del Sol y la Tierra, sería
casi como si no existiera el Sistema Solar.
¿Pero por qué gastamos tanto esfuerzo y dinero en captar esas ondas?
Los
astrónomos están entusiasmados con estos proyectos porque esto abre una nueva
ventana a la contemplación y estudio del Universo. Hasta ahora sólo lo
“veíamos”, a partir de ahora también lo vamos a “escuchar”. Es como si a
nuestros astrónomos les acabaran de implantar unos oídos; antes eran sordos.
Fig. 5.
Espectro electromagnético de la luz y aplicaciones en astronomía.
Pese
a la enorme variedad de aparatos que utilizamos para observar el Cosmos, la verdad
es que todos ellos captan ondas luminosas, ondas electromagnéticas, visibles o
no por nuestro ojo, pero siempre ondas luminosas. Así desde las longitudes de
onda de los rayos X y ϒ, donde captamos los episodios más violentos como
explosiones de supernovas, estrellas de neutrones, etc. al otro extremo del
espectro, en la banda de las microondas y ondas de radio donde captamos la
radiación de fondo y las nebulosas de polvo donde se forman las estrellas, tenemos
un verdadero arsenal de aparatos (telescopios) especializados. Pero las ondas
gravitatorias no son electromagnéticas, no tienen nada que ver con ellas y por
tanto tienen otras propiedades distintas, es una ventana nueva a través de la
cual se abre un nuevo universo desconocido.
La misma onda captada recientemente a la que hacíamos referencia al
inicio podría deberse a la fusión de dos agujeros negros, pero cuando los
telescopios de la banda del visible se enfocan al sitio que indica el interferómetro
LIGO, lo que encuentran es una estrella supermasiva. ¿Significa esto que en el
interior de una estrella podrían existir agujeros negros sin que la estrella
haya colapsado? Hoy no son más que especulaciones sin confirmar pero está claro
que esta nueva ventana nos podría deparar grandes sorpresas.
Es
curioso que se esté generalizando la idea de que con las ondas G podremos
“escuchar al Universo”. Esto se debe a lo que empezó siendo una broma y está
acabando en serio. Los astrónomos, como los físicos de hoy en general, suelen
tener un alto sentido del humor (no era así en tiempos de Newton) y dado que la
frecuencia de las ondas gravitatorias es, en cierto modo, similar a las ondas
sonoras, a algunos astrónomos se les ocurrió la idea de convertirlas en sonido
mediante un truquito electrónico-informático, de modo que así se las pueda oír,
literalmente hablando. Picar aquí
para escuchar una de ellas y aquí
para otra, y la
última.
Manuel Reyes Camacho
Notas
[i]
L.I.G.O. Descubierta la primera señal de ondas gravitacionales:
[ii]
Observatorio de ondas gravitacionales en EEUU:
Vídeo del Observatorio
LIGO: https://youtu.be/RzZgFKoIfQI
[iii] El
interferómetro que ideara Michelson en 1887 y con el que intentaría, durante
toda su vida, “detectar” la existencia del éter, sin lograrlo:
[iv] LISA
Pathfinder es un interferómetro que ya está en órbita, puede ampliarse los
datos en diversas web y vídeos:
Video LISA del instituto Max Planck de Alemania: https://youtu.be/MuHE8x8nq7U
Otro vídeo: https://youtu.be/YyZJ1JC_URc
La web “oficial”: https://www.elisascience.org/
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